建井期間豎井多中段提升施工方案研究

呂芳飛

(金誠信礦業管理股份有限公司， 北京 100070)

0 引言

在近些年的金屬非金屬礦山建設或改擴建過程中，隨著豎井施工工藝的不斷優化、施工裝備能力的不斷提升，豎井施工工期已經得到很好的控制。但豎井施工結束轉中段工程施工的時候，如何選擇適宜的提升系統，適應不同條件，滿足施工工期的要求，目前還沒有成熟的經驗可以參考。

目前通過豎井提升施工中段工程一般有以下幾種提升方式：

(1)簡易改造方案。對原鑿井設備進行簡單改造，提升容器不更換，進行中段工程施工。這種方法投入較少，工序轉換較快，但施工組織難度大，安全風險較高。

(2)臨時改絞方案。改變提絞方式、更換提升容器，增加柔性罐道、穩繩拉緊裝置和托罐平臺。

(3)永久提升系統方案，豎井到底很盡快進行地面井塔建設、永久提升系統安裝，利用永久提升系統來施工中段工程。本方法施工安全風險小，利用永久系統多水平作業管理難度也小，但存在安裝工期長，安裝期間長時間無法作業，造成總工期較長，且受條件限制(箕斗計量裝載、運輸水平操車系統暫時未形成等)無法充分發揮永久提升系統的能力。

(4)永久與臨時提升同步進行方案。部分項目采用地面井塔、永久裝備與臨時提升同時作業的方案。本辦法對縮短工期效果明顯，但安全風險極大，尤其是部分安全規程明確要求的條件很難實現。

1 研究意義

綜合上述因素，研究利用豎井施工裝備施工中段工程的工藝、方法對改變當前現狀有著極為重要的意義。

(1)以安全規程為依據，規避設計及施工過程中的安全風險。

(2)選擇與工程相適應的提升系統方案，節約投資；盡可能縮短施工工期，實現早日投產，對施工單位、對生產礦山都有著極大的意義。

(3)該課題的研究，能夠為今后的豎井施工溜破系統提供解決方案，進一步提升基建施工水平。

2 方案研究

2.1 設計基礎

2.1.1 鑿井期間施工方案

為后期中段施工創造條件，主提升系統應采用雙滾筒提升機，滿足井筒施工結束后進行改造的要求。

提升及絞穩系統布置按照各中段馬頭門方向考慮。

井筒管路、電纜、風筒等吊掛盡量避開永久裝備安裝位置。

吊盤預留管路通過口。

2.1.2 設備配置及施工吊掛系統

鑿井期間一般采用2套單鉤提升系統，直徑6.5 m以上配雙5 m3吊桶提升，主提升配雙滾筒提升機，副提升機為單滾筒提升機；翻矸平臺配套兩套5 m3座鉤式自動翻矸。

井筒內懸吊層間距為4.0 m的3～4層工作吊盤一套，吊盤一般由6臺穩車懸吊，配套6根懸吊鋼絲繩。

4臺穩車懸吊整體下行液壓金屬模板，配套四根鋼絲繩。

動力電纜、抓巖機、安全梯、放炮電纜等采用穩車懸吊。

其他排水、供水、供風管路及風筒均采用井壁固定方式，盡量避開永久裝備安裝位置。

2.1.3 改造前準備

井筒施工期間，各中段馬頭門、石門應盡可能的多施工，為后期中段工程施工創造條件。

如采用罐籠提升，井筒施工結束后施工井底水窩(如無設計，可考慮施工措施工程)15～20 m，滿足罐籠過放要求。

2.2 提升系統改造方案

2.2.1 箕斗+罐籠提升方案

適用于同時施工中段數量少，且中段間總距離較小(小于100 m)；或永久裝備前工作量大，服務時間長；或井筒直徑較小，大直徑吊桶無布置空間亦可采用此方案?；酚糜趶U石提升，裝載水平設在最下方中段；罐籠主要用于人員、物料上下，輔助提升廢石，各中段均設運輸水平。

主要改造內容：8根罐道繩安裝，利用鑿井期間六根吊盤懸吊繩和四根模板懸吊繩進行改造；

井底箕斗裝載及地面箕斗卸載系統安裝；

各中段罐籠搖臺(或固定平臺)；地面罐籠進、出車平臺及鋪軌；

天輪平臺改造；

中段間廢石施工溜井；上中段廢石通過溜井溜至井底裝載水平，經箕斗裝載提升至地面卸載。

主要特點：提升系統改造量大，施工工藝成熟，改造完成后配合中段工程無軌化施工的提升能力大、安全系數高，溜井貫通后提升系統不再制約施工進度；

預計改造工期30～45天。

2.2.2 吊桶+罐籠提升

適用于同時施工中段數量較多，且中段間距離較大(大于100 m)；或永久裝備前工作量較大，服務時間較長。吊桶用于廢石提升，罐籠主要用于人員、物料上下，輔助提升廢石。

主要改造內容：6根罐道繩安裝；

各中段卸矸裝渣系統施工安裝；各中段罐籠搖臺(或固定平臺)安裝；地面罐籠進、出車平臺及鋪軌；保留翻矸溜槽一套用于吊桶出渣。

天輪平臺改造；翻矸平臺改造。

井筒施工結束，施工井底水窩(如無設計，可考慮施工措施工程)15～20 m，滿足罐籠過放要求。

主要特點：系統改造量適中，改造完成后提升能力大但安全性一般，集中表現在吊桶裝渣不穩定，容易掉渣；適合部分老礦山改造過程中既有無軌化中段也有有軌運輸中段同時施工的需要。

預計改造工期30～45天；根據提升規模大小可縮短至20～30天。

2.2.3 雙吊桶提升或雙單鉤吊桶提升

提升系統仍利用原鑿井吊桶提升，各中段搭設簡易平臺；適用于永久裝備前短期臨時服務。

雙鉤吊桶提升考慮到裝矸平臺及地面翻矸平臺，可考慮雙側布置，要求施工中段最好雙側馬頭門同時施工，兩側馬頭門分別裝渣。

主要改造內容：4根罐道繩安裝；天輪平臺和翻矸平臺改造。

主要特點：本方案改造量小，基本不影響施工時間，但安全風險大，不建議采用。

2.3 主要輔助系統改造內容

2.3.1 信號及提升控制系統

基于多中段同時施工的必要性，信號及提升控制系統需要做到以下幾點：

信號在某個水平，其他水平無法發出提升信號；

某個水平安全門未到位或搖臺(托罐平臺)未恢復，其他水平無法發出提升信號；

井口信號房控制各水平信號切換，切換后通知提升機房確認。

2.3.2 罐籠提升系統

井底罐籠防墜系統、防撞平臺、地面防過卷系統；

各中段固定平臺及安全閉鎖系統；

各中段有軌車場及地面軌道系統。

2.3.3 箕斗裝載及卸載系統

皮帶及計量系統；

裝載硐室、箕斗裝載系統；

地面曲軌卸載系統(可落地)。

2.3.4 吊桶裝渣系統

簡易卸礦硐室、振動放礦機；

臨時礦倉。

2.3.5 其他輔助系統

其他供電、壓風、排水、通風、供水、照明等輔助系統，根據具體情況具體考慮。

3 方案實例

由金誠信礦業管理股份有限公司承建的塞爾維亞TimOK礦山回風井工程，豎井直徑6.5 m，深度651 m。根據業主要求，為了盡早采礦，需提前進入采切工程施工，豎井施工至-110 m水平以下時進行提升系統臨時改造后施工-80 m、-110 m中段工程。

3.1 施工方案

結合各中段工程量及現有施工設備，項目部擬定改絞施工方案如下：

中段采用臺車鑿巖+鏟運機裝渣+礦卡運渣的機械化無軌設備施工；

采用主提升機配6 m3吊桶+副提升機配1.5噸單車單罐籠提升；

圖2 五階段速度圖

-80 m施工溜井至-110 m水平，吊桶在-110 m水平集中裝渣；

-110 m水平施工廢石倉，安裝振動放礦機，廢石直接裝吊桶；

圖1 豎井雙中段提升系統

3.2 提升能力核算

采用豎井鑿井提升設備，JK3.5×2.65/20提升機+6 m3吊桶提升，按照五階段速度圖，計算提升能力。

3.2.1 提升循環時間

(1)主加速段時間t1=(Vm-V0)/a1=(7.45-0)/0.65=11.46 s

主加速段路程h1=Vm×t1/2=7.45×11.46/2=42.69 m

(2)減速段時間t3=(Vm-V4)/a3=(7.45-2)/0.65=8.38 s

主減速段路程h3=(Vm+V4)×t3/2=(7.45+2)×8.38/2=39.62 m

(3)爬行段距離取h4=20 m

爬行時間t4=h4/V4=20/2=10 s

(4)閘停車時間t5=1 s，h5不計

(5)等速段距離h2=H-(h1+h3+h4)=491-(42.69+39.62+20)+15=383.69 m

等速段時間t2=h2/Vm=383.69/7.45=51.5 s

(6)提矸休止時間取θ1=30 s

(7)裝渣時間取θ2=120 s

(8)一次提升循環時間

Ts=2×(t1+t2+t3+t4+t5)+θ1+θ2=
2×(11.46+8.38+10+51.5+30+120)=462.7 s

3.2.2 提升能力計算

每小時提升廢石的能力：

式中Z—一次提升吊桶數1個；

Km—裝滿系數,取0.9；

vch—吊桶容積6 m3；

K—提升不均勻系數，取1.2；

TS—一次提升循環時間462.7 s。

主提升系統不需要負擔人員、材料和工器具、火工品的下放，只需要留出每班的檢查時間，提升系統一天工作時間按照18 h計算，提升能力計算如表1所示。

加上副提升的部分提升能力，完全能夠滿足兩個中段4～5個作業面、每個作業面120 m/月的進度要求。

4 研究關鍵點分析

4.1 集中裝渣

由于施工進度及安全管理的需要，快速施工、大工作量出渣最好能集中在一～兩個中段進行，此時各施工中段根據工程量、相互關系分為主要裝渣中段和次要中段。

各中段前期通過罐籠出渣，在井口馬頭門外側布置廢石溜井。溜井可采用反井施工直徑1.2～2 m，溜井貫通后，該中段的廢石通過溜井溜至下個中段，在井底水平或主要裝渣中段集中出渣。

4.2 無軌和有軌的結合

采用罐籠提升即可以采用無軌運輸也可以采用有軌運輸。

采用有軌運輸時，因各中段均采用無軌施工，鏟運機或礦卡出渣至井口附近裝礦車，改有軌運輸至罐籠。

表1 提升能力計算表

采用無軌運輸時，因各中段采用鏟運機出渣，裝無軌膠輪車，直接開入罐籠提升。

4.3 雙鉤提升的平衡

采用雙滾筒提升機提升時，罐籠與箕斗在井底位置不同，造成雙鉤提升時無法同時滿足一個提升容器在井底另一個剛好在井口的要求。

一般情況下，罐籠在中段水平時箕斗尚未處于卸載狀態，罐籠到井底時箕斗卸載；反過來罐籠到井口時箕斗尚未到裝載位置，箕斗到裝載位置時罐籠已經超過井口。

因此，在箕斗裝載點、卸載高度確定以后，要詳細計算箕斗、罐籠所處位置及相對關系，確定提升機雙滾筒纏繩長度，確保罐籠過卷及過放距離滿足規程規定。

4.4 中段裝卸平臺

各中段裝卸平臺為滿足吊桶接渣或膠輪車進出罐籠的需要，平臺必須有剛性支撐。因此各中段托罐平臺可采用液壓收張，張開后滿足罐籠或吊桶通過的安全距離，收縮時做為托罐平臺。

平臺結構設計、受力及布置分析必須要滿足中段提升托罐的需要。

對于托罐平臺來說，選擇合適的自動控制系統、液壓推進系統是重中之重。只有自動控制系統、液壓推進系統運轉良好，才能完美解決各中段卸載系統及托罐平臺問題，規避安全風險。

使用多水平提升信號控制系統，解決提升中段自動切換問題，同時將信號控制與提升系統相閉鎖，配合中段托罐平臺的控制系統，確保整個中段裝卸平臺安全可控。

5 結語

(1)本次方案研究由于采用單滾筒提升機提升，且罐籠沒有負擔出渣任務，因此對于中段裝卸平臺的關鍵點研究沒有取得進展，只是對于吊桶多中段提升的簡易改絞方案進行了優化。

(2)方案研究需要依托具體工程實例，研究的關鍵點更需要在實際的施工過程中分析、計算和總結。

(3)豎井多中段提升對于溜破系統的施工組織來說，更為關鍵和有效，下一步需要重點開展通過豎井提升施工溜破系統方面研究。